CN114447633A - 圆台结构的相控阵天线及其束波指向计算系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明本发明涉及一种圆台结构的相控阵天线及其束波指向计算系统与方法，属于天线和无线电定向领域结合。解决现有平面相控阵天线波束覆盖范围窄以及球面相控阵天线系统结构较为复杂的技术问题。本发明相控阵天线包括圆台状天线基底，在其上表面及侧面均设置多个阵元天线。束波指向计算系统包括包括四路第一移相器、第一功分器、第二功分器及一路四功分器、第三功分器、第四功分器与两路5选1开关及数字信号处理单元，利用两路5选1开关快速切换位于天线基底上表面4个阵元天线信号，采用相位比较方法，可以在ms级的时间内算出来波方向。因此本发明兼具平面相控阵天线易于DOA估计和球面相控阵天线波束范围宽的特点。

Description

圆台结构的相控阵天线及其束波指向计算系统与方法
技术领域
本发明涉及一种宽波束范围的相控阵天线及其来波角度测量方法，属于天线和无线电定向领域结合。
背景技术
为设计、加工及计算简单，大多相控阵天线均采用了平面阵，如图1所示。平面阵虽然信号处理简单，缺点也是显而易见的，那就是覆盖范围较窄，一般只能用到±60°范围。因此，为了提高波束覆盖范围，有些厂家研制出球面相控阵天线，阵元天线布置如图2。球面相控阵天线具有各向基本相同的增益，可以在±90°范围内工作，由于所有的阵元天线处于不同姿态，无法取得增益基本一致的阵元天线，进行DOA（波束指向）估计，即使采用Cordic相位测量算法，也会因为阵元天线仰角不一致相位中心偏离中心而误差较大，因此，球面相控阵天线的波束指向只能依赖于惯导保持方向、磁罗盘测向或全球卫星定位系统测向(双天线RTK测向技术)，造成整个系统较为复杂；另外此类相控阵天线的几何高度较高，不适用于某些对于安装高度有限制的应用场合。
发明内容
为了解决现有平面相控阵天线波束覆盖范围窄以及球面相控阵天线因全部需依靠惯导、磁罗盘或全球卫星定位系统才可实现波束指向测量，而导致整个系统结构较为复杂的技术问题，本发明提供一种圆台结构的相控阵天线及其波束指向测量方法，结合平面阵和球面阵天线各自的优点，既可以具有宽的波束覆盖范围，又可以通过简单计算获得波束指向，无需依靠外部测量系统实现，结构较为简单。
本发明的技术方案是提供一种圆台结构的相控阵天线，其特殊之处在于：包括圆台状天线基底以及设置在圆台状天线基底表面的n个阵元天线；其中n为大于等于6的正整数；
n1个阵元天线排布在圆台状天线基底的上表面；n1个阵元天线中至少有4个阵元天线的中心连线为正方形，将位于对角线的两个阵元天线分别定义为第一阵元天线和第二阵元天线；另外两个位于对角线的两个阵元天线分别定义为第三阵元天线和第四阵元天线；
其中n1为大于等于4小于n的正整数；
n2个阵元天线排布在圆台状天线基底的侧面；
将n2个阵元天线划分为m组天线单元，每组天线单元包括m1个阵元天线，m1个阵元天线沿圆台状天线基底的侧面周向排布；m组天线单元沿圆台状天线基底轴向排布，其中n2=n-n1，m为大于等于1的正整数，m1为大于等于1。
进一步地，为了测量天线当前方位朝向和所处位置，在圆台状天线基底底部的支撑座内部设置有磁罗盘或全球卫星定位测向系统，作为辅助测向手段，用于提高波束角测量的冗余手段，提高可靠性。
进一步地，圆台状天线轴截面圆锥母线和底平面的夹角为45°。
进一步地，n等于16，n1等于8，n2等于8，m等于1，m1等于8。
本发明还提供一种应用于上述圆台结构的相控阵天线的束波指向计算系统，其特殊之处在于，包括四路第一移相器、四路第一功分器、四路第二功分器、一路四功分器、一路第三功分器、一路第四功分器、两路5选1开关及数字信号处理单元；
第一阵元天线、第二阵元天线、第三阵元天线和第四阵元天线发送的信号分别一一经过对应的四路第一移相器移相后，再分别通过四路对应的第一功分器取出部分信号，一路分别进入四路第二功分器；另一路均经过四功分器进入第三功分器，第三功分器将信号分为两路，一路从R3输出端口输出，另一路进入第四功分器，第四功分器将信号分为两路，分别进入第一5选1开关和第二5选1开关；
四路进入第二功分器的信号经第二功分器取出部分信号，一路均进入第一5选1开关，切换后由R1输出端口输出；另一路均进入第二5选1开关，切换后经第二移相器后由R2输出端口输出；
数字信号处理单元根据R1输出端口及R2输出端口的输出信号计算圆台结构的相控阵天线的束波指向。
本发明还提供一种应用于上述圆台结构的相控阵天线的束波指向计算方法，基于上述计算系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、赋予其中两个第一移相器零空间角度，所述两个第一移相器为接收第一阵元天线和第二阵元天线发送信号的移相器；
步骤2、控制第一5选1开关切换到第一阵元天线信号输出通路，第二5选1开关切换到第二阵元天线信号输出通路；
步骤3、根据R1输出端口及R2输出端口的输出信号计算第一阵元天线和第二阵元天线之间的信号相位差；
步骤4、控制第一5选1开关切换到第三阵元天线信号输出通路，第二5选1开关切换到第四阵元天线信号输出通路；
步骤5、根据R1输出端口及R2输出端口的输出信号计算第三阵元天线和第四阵元天线之间的信号相位差；
步骤6、根据下式计算圆台结构的相控阵天线的束波指向：
Figure 131370DEST_PATH_IMAGE001
Figure 442266DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为第一阵元天线和第二阵元天线之间的信号相位差；
Figure 978420DEST_PATH_IMAGE004
为第三阵元天线和 第四阵元天线之间的信号相位差；d为第一阵元天线和第二阵元天线之间、第三阵元天线和 第四阵元天线之间的直线距离；p为圆台结构的相控阵天线的俯仰角，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为圆台结构的相控 阵天线的方位角。
本发明的有益效果是：
1、本发明天线结构中位于圆台状天线基底上表面的阵元天线主要用于提供法向附近增益，位于圆台状天线基底侧面的阵元天线主要用于提供低仰角时增益，对于法向增益也有一定贡献，在保证低高度的情况下仍能保证较好的低仰角增益。同时仅需部分位于圆台状天线基底上表面的阵元天线的信号，即可实现波束指向估计，因此本发明兼具平面相控阵天线易于DOA估计和球面相控阵天线波束范围宽的特点。
2、本发明仅需要2路数字信号处理进行2维DOA估计，利用天线姿态不会突变的原理，在4个阵元天线信号之间快速切换，可以在ms级的时间内算出来波方向，只有2路数字信号处理，降低了系统的复杂程度。
3、本发明束波指向计算方法采用相位比较，对硬件要求低，避免了阵元天线个体差异导致信号能量不一致带来的计算误差。
附图说明
图1为常见的平面相控阵天线示意图。
图2为现有宽波束范围球面相控阵天线示意图。
图3为实施例圆台结构的相控阵天线示意图。
图中附图标记为：1、圆台状天线基底；2、阵元天线；3、支撑座；4、圆台状天线基底的上表面；5、圆台状天线基底的侧面；
图4为实施例圆台结构的相控阵天线波束指向计算坐标系及使用阵元天线；
图中附图标记为：6、第一阵元天线；7、第二阵元天线；8、第三阵元天线；9、第四阵元天线；
图5为实施例圆台结构的相控阵天线的束波指向计算系统示意图；
10、第一移相器；11、第二移相器；
图6为实施例模拟测试环境示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二、第三或第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本实施例圆台结构的相控阵天线，如图3所示，包括圆台状天线基底1以及位于圆台状天线基底1底部的支撑座3，在支撑座3内还可以设置磁罗盘或全球卫星定位系统测向，作为辅助测向手段。在圆台状天线基底的上表面4也可以称之为上底面，按照特定的排布方式设置多个阵元天线2，同样在在圆台状天线基底的侧面5也按照特定的排布方式设置多个阵元天线2。位于上表面的阵元天线2用于提供法向附近增益，同时因此类阵元天线2处于同样的姿态，基于其可以实现DOA估计；位于侧面的阵元天线2主要提供低仰角时增益，对于法向增益也有一定贡献，有效利用了天线侧面高度作为侧面阵元天线2的辐射面积，在保证低高度的情况下仍能保证较好的低仰角增益。因此，本实施例圆台结构的相控阵天线相对于平面相控阵天线具有高的波束覆盖范围，相对于球面相控阵天线，易于估算DOA，同时结构较为简单，几何高度较低。
结合图4可以看出，本实施例在圆台状天线基底的上表面4设置8个阵元天线，其中4个阵元天线的中心连线为正方形，可以将这4个阵元天线分别定义为第一阵元天线6、第二阵元天线7、第三阵元天线8及第四阵元天线9，用于DOA方向估计；在圆台状天线基底的侧面5设置8个阵元天线，8个阵元天线沿圆台状天线基底的侧面5周向均布。当然在其他实施例中，在圆台状天线基底的上表面4可以设置大于4的任意数量的阵元天线，只要确保至少有4个阵元天线的中心连线为正方形，以便于后续DOA的估算即可。在圆台状天线基底的侧面5也可以设置任意数量的阵元天线，本实施例沿圆台状天线基底1轴向在其侧面均布了一圈阵元天线2，在其他实施例中可以沿圆台状天线基底1轴向在其侧面均布两圈、三圈等阵元天线。为了进一步优化该圆台结构的相控阵天线结构，本实施例通过选取不同的圆台状天线轴截面圆锥母线和底平面的夹角，通过ANSYS HFSS模拟仿真，确定圆台状天线轴截面圆锥母线和底平面的夹角为45°，天线的电气性能指标达到最均衡，本实施例圆台结构的相控阵天线可以达到的技术指标如下：法向增益： ≥16dBi；±60°增益：≥10dBi；±80°增益：≥7dBi。
如图5所示，圆台结构的相控阵天线的束波指向计算系统由四路第一移相器10、四路第一功分器、四路第二功分器、一路四功分器、一路第三功分器、一路第四功分器、两路5选1开关及数字信号处理单元构成，其中一阵元天线2、第二阵元天线7、第三阵元天线8及第四阵元天线9发送的信号分别一一经过四路第一移相器10移相后，通过四路第一功分器取出部分信号，一路分别进入四路第二功分器；另一路经过四功分器进入第三功分器，第三功分器将信号分为两路，一路从R3输出端口输出，另一路进入第四功分器，第四功分器将信号分为两路，分别进入第一5选1开关和第二5选1开关。进入第二功分器的信号经第二功分器取出部分信号，一路进入第一5选1开关，切换后由R1输出端口输出；另一路进入第二5选1开关，切换后将第二移相器11后由R2输出端口输出。
R1输出端口及R2输出端口的输出信号经数字信号处理单元模拟下变频、数字滤波后得出信号相位差，之后基于信号相位差，计算圆台结构的相控阵天线的束波指向。
计算波束指向时，先赋予两个第一移相器10零空间角度，即法向校准角度，所述两个第一移相器10为接收第一阵元天线6和第二阵元天线7信号的第一移相器10；然后控制第一5选1开关切换到到第一阵元天线6信号输出通路，第二5选1开关切换到第二阵元天线7信号输出通路，此时经过7~8个FPGA时钟周期，基于Cordic算法计算出第一阵元天线6和第二阵元天线7接收信号之间的相位差；然后控制第一5选1开关切换到第三阵元天线8信号输出通路，第二5选1开关切换到第四阵元天线9信号输出通路；此时经过7~8个FPGA时钟周期，基于Cordic算法计算出第三阵元天线8和第四阵元天线9接收信号之间的相位差，根据信号相位差进行波束指向角计算。
相控阵天线只需要算出主波束指向即可，即只需计算主波束的方位角
Figure 730476DEST_PATH_IMAGE005
和俯仰角p 即可：
Figure 84097DEST_PATH_IMAGE001
Figure 23234DEST_PATH_IMAGE002
Figure 753293DEST_PATH_IMAGE003
：第一阵元天线6和第二阵元天线7之间的信号相位差；
Figure 849204DEST_PATH_IMAGE004
：第三阵元天线8和第四阵元天线9之间的信号相位差；
d：第一阵元天线6和第二阵元天线7之间的直线距离。
搭建如图6所示的模拟测试环境，测试台系一维旋转台，模拟天线和待测天线高度差形成俯仰角，一维转台的旋转形成方位角。实测结果如下表1：
表1 方位俯仰角算法实测结果
Figure 373726DEST_PATH_IMAGE006
经实测，通过本实施例方法计算的方位角和俯仰角的最大误差小于10°。

Claims (7)

1.一种圆台结构的相控阵天线，其特征在于：包括圆台状天线基底(1)以及设置在圆台状天线基底(1)表面的n个阵元天线(2)；其中n为大于等于6的正整数；
n1个阵元天线(2)排布在圆台状天线基底的上表面(4)；n1个阵元天线(2)中至少有4个阵元天线的中心连线为正方形，将位于对角线的两个阵元天线分别定义为第一阵元天线(6)和第二阵元天线(7)；另外两个位于对角线的阵元天线分别定义为第三阵元天线(8)和第四阵元天线(9)；
其中n1为大于等于4小于n的正整数；
n2个阵元天线(2)排布在圆台状天线基底的侧面(5)；
将n2个阵元天线(2)划分为m组天线单元，每组天线单元包括m1个阵元天线，m1个阵元天线沿圆台状天线基底的侧面(5)周向排布；m组天线单元沿圆台状天线基底(1)轴向排布，其中n2=n-n1，m为大于等于1的正整数，m1为大于等于1小于等于n2的正整数。
2.根据权利要求1所述的圆台结构的相控阵天线，其特征在于：还包括设置在圆台状天线基底(1)底部的支撑座(3)。
3.根据权利要求2所述的圆台结构的相控阵天线，其特征在于：在支撑座(3)内部设置有磁罗盘或全球卫星定位测向系统。
4.根据权利要求3所述的圆台结构的相控阵天线，其特征在于：圆台状天线轴截面圆锥母线和底平面的夹角为45°。
5.根据权利要求4所述的圆台结构的相控阵天线，其特征在于：n等于16，n1等于8，n2等于8，m等于1，m1等于8。
6.一种应用于权利要求1-5任一所述圆台结构的相控阵天线的束波指向计算系统，其特征在于：包括四路第一移相器(10)、四路第一功分器、四路第二功分器、一路四功分器、一路第三功分器、一路第四功分器、两路5选1开关及数字信号处理单元；
第一阵元天线(6)、第二阵元天线(7)、第三阵元天线(8)和第四阵元天线(9)发送的信号分别经过一一对应的四路第一移相器(10)移相后，再分别通过四路对应的第一功分器取出部分信号，一路分别进入四路第二功分器；另一路均经过四功分器进入第三功分器，第三功分器将信号分为两路，一路从R3输出端口输出，另一路进入第四功分器，第四功分器将信号分为两路，分别进入第一5选1开关和第二5选1开关；
四路进入第二功分器的信号经第二功分器取出部分信号，一路均进入第一5选1开关，切换后由R1输出端口输出；另一路均进入第二5选1开关，切换后经第二移相器(11)后由R2输出端口输出；
数字信号处理单元根据R1输出端口及R2输出端口的输出信号计算圆台结构的相控阵天线的束波指向。
7.一种应用于权利要求1-5任一所述圆台结构的相控阵天线的束波指向计算方法，基于权利要求6所述计算系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、赋予其中两个第一移相器(10)零空间角度，所述两个第一移相器(10)为接收第一阵元天线(6)和第二阵元天线(7)发送信号的移相器；
步骤2、控制第一5选1开关切换到第一阵元天线(6)信号输出通路，第二5选1开关切换到第二阵元天线(7)信号输出通路；
步骤3、根据R1输出端口及R2输出端口的输出信号计算第一阵元天线(6)和第二阵元天线(7)之间的信号相位差；
步骤4、控制第一5选1开关切换到第三阵元天线(8)信号输出通路，第二5选1开关切换到第四阵元天线(9)信号输出通路；
步骤5、根据R1输出端口及R2输出端口的输出信号计算第三阵元天线(8)和第四阵元天线(9)之间的信号相位差；
步骤6、根据下式计算圆台结构的相控阵天线的束波指向：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第一阵元天线(6)和第二阵元天线(7)之间的信号相位差；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为第三阵元天线 (8)和第四阵元天线(9)之间的信号相位差；d为第一阵元天线(6)和第二阵元天线(7)之间、 第三阵元天线(8)和第四阵元天线(9)之间的直线距离；p为圆台结构的相控阵天线的俯仰 角，
Figure 392468DEST_PATH_IMAGE005
为圆台结构的相控阵天线的方位角。
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